操作系统如何管理与进程关联的进程控制块？

Question

我目前正在学习操作系统课程中的进程。我对流程的实际工作方式有点困惑。 根据我的理解

1. 当我们双击一个可执行文件（假设是单线程的）时，会为这个新进程创建一个进程控制块，并在主内存中为进程分配一些空间。
2. 然后是短期调度程序，将进程分派给 CPU（假设为单处理器系统）。
3. CPU 执行进程并在阻塞它之前（以防发生中断或进程请求某些 I/O），将 CPU 的内容保存在进程控制块中。然后进程被发送到就绪队列。

   我的第一个问题是，这些 PCB 存放在哪里？形成我从其他网站上阅读的内容，因为PCB中的信息非常重要，操作系统将其保存在内核空间中，但其他一些网站说PCB存储在内核堆栈（在用户模式下无法访问），即位于与进程相同的地址空间（可能一个进程有两个堆栈，一个用户堆栈和一个内核堆栈）。那么实际上PCB存储在哪里？

   操作系统如何知道进程与其PCB之间的映射？操作系统如何知道与 PCB 相关的进程的物理位置。我假设因为 PCB 包含内存管理信息（如基址寄存器和堆栈寄存器的值），所以我的假设是否正确？

   我的最后一个问题是什么是进程表？信息处理表存储什么。 （我猜他们存储 pid 和指向进程 PCB 的指针）

   很抱歉提出这样一个基本问题，但我找不到任何令人满意的资源。 :(

   编辑1：进行了更多研究，发现操作系统同时使用内核堆栈（确实与进程位于同一地址空间下）和PCB。但事实证明，内核堆栈不存储 PCB，它只是将寄存器的内容存储在 CPU 内（在这里回答： During a context switch, does the OS use PCB or kernel stack to restore registers? 。所以问题仍然存在，PCB 实际存储在哪里？

   编辑 2：在研究了更多并研究了几本书之后，似乎所有的 PCB 实际上都存储在一个叫做调度队列的东西上。这些队列确实保存在系统空间中（不在内核堆栈上）并包含 PCB。有很多调度队列，如就绪队列、等待队列、中间队列（用于存储换出进程的信息）、I/O 队列和最后的作业队列。如果一个进程没有被执行，它的 PCB 将存储在这些队列之一中。事实证明，PCB确实存储了进程的基地址和对进程页表的引用等信息。虽然我仍然不确定进程表的作用是什么。

Answer 1

您的操作系统课程似乎是经典的课程，作者向您提供的信息并不总是正确的，而且所使用的术语并非随处可见且令人困惑。总体而言，操作系统设计将根据操作系统的运行位置和用途而有所不同。每个操作系统开发团队对于不同的事物都有不同的术语。您了解的某些数据结构可能根本不会使用。

话虽如此，是否有内核堆栈和用户堆栈，寄存器存储在哪里，PCB 存储在哪里等等，都是如此不重要和多变的，以至于它甚至不是操作系统课程应该提及的信息。课程应该只提到信息应该保存在某个地方。

一般来说，Linux内核有一个用户态堆栈和一个内核态堆栈。它还将有一个堆栈用于每个内核的中断（不绑定到一个进程）。在 Linux 上，进程有一个 PCB，但内核在线程上工作。属于同一进程的每个线程共享相同的虚拟地址空间。 Linux 内核会将每个进程绑定到一个内核。这是由于内核靠近物理内存的某些部分（在 x86-64 上称为 NUMA）。 ACPI 表提供有关哪个范围的物理内存更接近某个内核的信息。如果内核想要更改一个线程的核心，它会使其执行速度变慢，因为它的内存将被分配到另一个核心的 NUMA 节点中。

现代 64 位 CPU 的虚拟地址空间 (VAS) 是巨大的（超过 200k GB）。所有线程都可以访问它的下半部分，因为内核保留了上半部分。线程和内核的指令包含将由页表翻译的虚拟地址。内核的工作是确保页表将虚拟地址转换为可用的物理内存。例如，在具有 8GB RAM 的计算机上，翻译必须低于 8GB。还有需要考虑的 NUMA 节点。

因此，在 Linux 上，PCB 存储在 VAS 的上半部分。在 x86-64 上，VAS 的上半部分是通过在页表中切换标志来实现的。这意味着，当内核更改 CR3 寄存器（指向 x86 的第一个页表级别的寄存器）时，不会刷新 TLB（翻译缓存）的这部分。现代 TLB 中还支持 PCID（进程 ID）。

如果您有一堆就绪线程但没有足够的内核来运行它们，您可以使用定时器在时间片过去时引发中断。

内核堆栈也存储在 VAS 的上半部分。寄存器的保存位置实际上并不重要，这是一个基本的设计决策。 PCB 存储有关分配给某个进程及其对应物理副本的 VAS 部分的信息。 VAS 的其余部分通过切换标志在页表中不存在。如果一个线程试图在那里读、写或执行，内核会杀死它（Linux 上的段错误）。